Adhesive energies and atomic/electronic structure of metal to ceramic interfaces have been investigated by using the first principle molecular dynamics method based on the density-function theory. This investigation have been conducted through the tight collaboration between Prof.Ohuchi and Dr.Kohyama. The most important finding of the research was that in case of SiC (110) and SiC (100) and Al bonding, there is a strong attractive C-Al interactions with both ionic and covalent characters in the bonded interface, which are considered to play a favorable role in adhesion between SiC and Al. These theoretical results are confirmed by the bonding experiments conducted by Prof.Suga. By means of the surface activated bonding method, he has succeeded in bonding ceramic-metal system at room temperature. TEM study on the microstructure of the bonded interfaces, which has been continued since the last year, showed that a direct bonding of such ceramic-metal interface is formed actually only by
… Morecontact between such clean surfaces. However, a closer observation of the bonded interface between Al2O3 and Al using the high resolution TEM showed that there is a strong distorted region of several nm thickness which possesses another structure which is different from both Al2O3 and Al. Formtion of such thin intermediate layr was interpreted as a result of strong deformation of the interfaces in contac that would lead to compensate the lattice mismatch. There results have been analyzed and complied for further development of interface engineering, and published in several international conferences. Also possibilities of these findings in application of the packaging technology in the near future has been discussed with fairly good expectations.平成7年度はOhuchiが8月から9月にかけて日本に滞在、大阪工研でのSiC/Al界面の電子構造・原子構造の実験観察法と理論計算法について議論を行い、SiC表面の再構成構造や原子種が金属との結合性を左右する可能性を明らかにした。12月に石田及び大学院生の林がワシントン大学のOhuchi教授のもとで強変形を受けたカーボンナノチューブの界面の電子的構造の解析を行った。透過電子顕微鏡による観察結果と計算機シミュレーションは、ナノチューブの変形が曲げによる弾性的な変形とそれに続くグラファイトのsp2からsp3への結合状態変化によってもたらされた構造である可能性が高いことを明らかにした。しかし、期待されていた電子線エネルギー損失分光による変形部の解析は測定条件が十分でなく有意な結果が得られなくなった。須賀らはSiC/Alの常温接合界面について引き続き高分解能電顕観察、AFM観察を行い、実験と計算の比較について議論し、今後の研究方向について詳細な検討を行った。平成8年度においては、これまでの理論計算に基づいて計算精度をさらに高めた第一原理分子動力学法が大阪工研の香山によって開発され、セラミックス-金属界面の凝着エネルギーならびに原子構造、電子構造が最終的に明らかになった。特にSiC(110)-AlならびにSiC(100)-Alの接合において、接合界面では非常に強いC-Al間の引力相互作用が存在すること、またこの結合がイオン性と共有結合性の両者の結果を持っていることを示した。これらの結果を総合して、この相互作用がSiCとAlの接合メカニズムに最終的に最も寄与しているものと結論された。須賀らのマクロな接合強度の評価においても、CとAlの結合がSiとAlの結合よりも大きいことが示唆され、理論計算とよく一致する結果を得た。また継続して行ってきた高分解能電子顕微鏡による接合界面の微細構造観察によっても、原子レベルでの直接接合が確認された。ただし、Al2O3とAl間の接合界面に関する高分解能TEMによる評価では、接合界面に数nmの厚さのAl2O3の構造ともAlの構造とも異なる構造を有する中間層の存在も初めて確認された。平成9年3月にはOhuchi、須賀が相互に訪問し、これまでの研究を総括するとともに、本研究成果の応用に関する調査研究を行った。その結果、この3年間の研究の集積によって、セラミックス-金属界面の原子・電子レベルでの設計が具体的に可能になったこと、また、これらを結果のパッケージング技術への適用の可能性が有望であるという結論を得た。 Less